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JP5748333B2 - Electric heating biomass gasifier - Google Patents

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JP5748333B2
JP5748333B2 JP2011112527A JP2011112527A JP5748333B2 JP 5748333 B2 JP5748333 B2 JP 5748333B2 JP 2011112527 A JP2011112527 A JP 2011112527A JP 2011112527 A JP2011112527 A JP 2011112527A JP 5748333 B2 JP5748333 B2 JP 5748333B2
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  • Processing Of Solid Wastes (AREA)

Description

本発明は、バイオマスのガス化技術に関し、とくに電気的熱エネルギーでバイオマスを乾燥、熱分解、およびガス化することにより、一般人がバイオマスの発生地点において比較的少量の様々なバイオマスを対象としてガス化を行い、発電に利用できるようにした技術に関するものである。   The present invention relates to biomass gasification technology, and in particular, by drying, pyrolyzing, and gasifying biomass with electric thermal energy, ordinary people gasify a relatively small amount of various biomass at the biomass generation point. This is related to technology that can be used for power generation.

間伐材や端材などの木質性バイオマスや、稲わらなどの草本性バイオマスや、おからなどの食品製造残渣などの廃棄物バイオマスは、単なる焼却処分から焼却発電への活用に進み、さらに近年は、可燃性ガスに変換したうえで、液体燃料の合成や発電に利用する技術が多く提案されるようになった。
従来のバイオマスガス化技術は、鉄鉱石から銑鉄を生成する高炉を適用する技術や、高炉のコンセプトから派生した技術が主体になっていた。その1例としてのアップドラフト型固定床方式は、上方からバイオマスを投入し、下方から高温空気と水蒸気を連続的に流入する技術である。この例では、炉内の下方ゾーンでバイオマスが燃焼して酸素が消費され、燃焼熱でバイオマス熱分解と高温過熱水蒸気生成を行い、上昇した高温過熱水蒸気によって水性ガスを生成し、最上部でバイオマスを乾燥する(非特許文献1)。この方式においては、投入されたバイオマスは、熱を得るための燃料としての役割と、水性ガスの原料としての役割を、二重に担っていた。
Woody biomass such as thinned wood and milled wood, herbaceous biomass such as rice straw, and waste biomass such as food manufacturing residues such as okara have moved from simple incineration to use for incineration power generation. Many technologies have been proposed for use in liquid fuel synthesis and power generation after conversion to combustible gas.
Conventional biomass gasification technology mainly consists of technology that applies a blast furnace that produces pig iron from iron ore and technology that is derived from the concept of blast furnace. As an example, the updraft fixed bed system is a technique in which biomass is introduced from above and hot air and water vapor are continuously introduced from below. In this example, biomass burns in the lower zone in the furnace and oxygen is consumed, biomass pyrolysis and high-temperature superheated steam generation are performed with combustion heat, water gas is generated with the elevated high-temperature superheated steam, and biomass is formed at the top. Is dried (Non-patent Document 1). In this system, the input biomass had a dual role as a fuel for obtaining heat and a role as a raw material for water gas.

従来の技術としては、固定床や流動床のみならず多様な形式のガス化炉が提案された。これらはすべて、バイオマスを燃焼して獲得した熱エネルギーで熱分解とガス化を行うという点で共通の技術基盤に基づくものであった。それは、発熱反応と吸熱反応を同一空間内の少し離れた位置において同時に行うので、うまく反応を制御するには高度なスキルを必要とした。以下は制御法の1例である(非特許文献1)。
(1)バイオマスのガス化速度は、ガス化炉に供給する酸化剤(空気あるいは酸素)の量によって制御する。投入する酸素と水蒸気の比を一定に保ち、酸素分圧が一定になるように制御すると、炉内の反応速度が一定になり、温度も一定になる。
もしも反応速度が増加すると、燃焼・熱分解のガス流量が大幅に増加し、様々な弊害が発生する。
(2)燃焼ゾーンの温度は、炉底からの水蒸気の吹き込み量によって制御する。即ち水蒸気の吹き込み量の増減で熱容量を増減させて温度を制御する。
しかし水蒸気は、温度調節の機能ばかりでなく、水素と一酸化炭素を生成する水性ガス化反応の反応物でもあるので、その考慮が必要である。
このような操作は、バイオマスが一旦点火すれば、燃焼は自発的に進行するので、釜焚きの制御と同様であり、発熱反応と吸熱反応のバランスをとり、全体システムとして暴走したり消火したりしない安定状態を維持することが肝要である。それは酸素や水の供給量によっても変化するが、バイオマスの種類によっても、含有成分と含有水分が異なるため、大きな影響を受ける。そのため、従来技術における炉内反応の制御は、炉内で生起する事象に対する高度な理解に基くスキルを前提とするものであった。
このような理由から、バイオマスの加熱による熱分解と、熱分解でできた生成物のガス化とを分離して行う技術が開示された。これらの技術においては、まずバイオマスを加熱して炭化物と熱分解ガスと熱分解タールを生成し、炭化物を取り出して粉砕した後、熱分解ガスと熱分解タールと共に高温過熱水蒸気により可燃性ガスを生成する技術である(特許文献1)。
As conventional techniques, various types of gasification furnaces as well as fixed beds and fluidized beds have been proposed. All of these were based on a common technology base in that pyrolysis and gasification were performed using the thermal energy obtained by burning biomass. Because it performs exothermic reaction and endothermic reaction at the same time at a little distance in the same space, it requires advanced skills to control the reaction well. The following is an example of the control method (Non-Patent Document 1).
(1) The biomass gasification rate is controlled by the amount of oxidant (air or oxygen) supplied to the gasification furnace. When the ratio of oxygen and water vapor to be added is kept constant and the oxygen partial pressure is controlled to be constant, the reaction rate in the furnace becomes constant and the temperature becomes constant.
If the reaction rate increases, the gas flow rate for combustion and pyrolysis will increase significantly, causing various adverse effects.
(2) The temperature of the combustion zone is controlled by the amount of water vapor blown from the furnace bottom. That is, the temperature is controlled by increasing or decreasing the heat capacity by increasing or decreasing the amount of steam blown.
However, since water vapor is not only a temperature control function but also a reaction product of a water gasification reaction that generates hydrogen and carbon monoxide, it needs to be considered.
This kind of operation is similar to the control of pot-fired combustion once the biomass is ignited, so it balances the exothermic and endothermic reactions and runs away or extinguishes as a whole system. It is important to maintain a stable state. It varies depending on the amount of oxygen and water supplied, but it is also greatly affected by the type of biomass because the content and water content differ. Therefore, the control of the reaction in the furnace in the prior art is based on a skill based on a high level understanding of events occurring in the furnace.
For these reasons, a technique has been disclosed in which pyrolysis by heating biomass and gasification of a product formed by pyrolysis are separately performed. In these technologies, biomass is first heated to produce carbides, pyrolysis gas, and pyrolysis tar. After the carbide is taken out and pulverized, combustible gas is produced by high-temperature superheated steam together with pyrolysis gas and pyrolysis tar. (Patent Document 1).

以上は、空気あるいは酸素と水蒸気の混合気体を加熱してバイオマスを部分酸化する技術であるが、当初から空気などの酸化剤を含まない無気的雰囲気においてガス化する技術も開示された。
その1例は、まずバイオマスを無気的雰囲気で還元的に加熱して熱分解ガスと炭化物を生成し、次に炭化物を燃焼してつくった過熱水蒸気によって熱分解ガスを改質して水性ガスを生成する技術である(特許文献2)。
この技術もバイオマスの熱分解工程と過熱水蒸気による熱分解生成物の改質工程と分離することによって、それぞれの制御をより容易に行うことができるようにした。
このほか、バイオマスを粉体化して炉内で高温の過熱水蒸気と混合し、熱分解とガス化を瞬時に生起せしめる技術が提案された。この技術は、空中に浮遊する粉体バイオマスと過熱水蒸気分子の遭遇機会を増加させるため、物理的ビークルとして大量の過熱水蒸気を送り込む必要から、バイオマスの倍量の水を要するという課題が生じた(非特許文献2)。
以上のように、バイオマスを燃焼して熱エネルギー源として利用する技術においては、適用するバイオマスが燃料としても有用な素材であることが前提であったことは論ずるまでもない。木質バイオマスや草本バイオマスはその条件に適合する素材であった。
しかし日々大量に産出されるその他のバイオマスは、必ずしも燃料として適していない。例えば数十%の油脂分を含有するコーヒー滓やおからなどは、同じ食品系バイオマスでも、燃料としての熱量が野菜系残渣とはまったく異なることは明らかである。また、含有成分によっては、熱分解で大量のすすやタールが発生するので、それぞれ最適の条件で熱分解を行うことが重要である。
このように燃料として不適当なバイオマスは、ガス化利用の素材として「暗黙の除外者」にされていたのである。
The above is a technique for partially oxidizing biomass by heating air or a mixed gas of oxygen and water vapor, but from the beginning, a technique for gasifying in an airless atmosphere containing no oxidant such as air has also been disclosed.
One example is that the biomass is first reductively heated in an airless atmosphere to produce pyrolysis gas and carbide, and then the pyrolysis gas is reformed with superheated steam produced by burning the carbide to produce water gas. (Patent Document 2).
This technology can also be controlled more easily by separating it from the pyrolysis process of biomass and the reforming process of pyrolysis products by superheated steam.
In addition, a technology has been proposed in which biomass is pulverized and mixed with high-temperature superheated steam in a furnace to instantly cause pyrolysis and gasification. This technology increases the chances of encountering powdered biomass floating in the air and superheated water vapor molecules, so that a large amount of superheated water vapor needs to be sent as a physical vehicle, resulting in the need for double the amount of water in the biomass ( Non-patent document 2).
As described above, it goes without saying that in the technology of burning biomass and using it as a heat energy source, it was assumed that the applied biomass was a material useful as a fuel. Woody biomass and herbaceous biomass were suitable materials.
However, other biomass produced in large quantities every day is not necessarily suitable as fuel. For example, coffee mash or okara containing several tens of percent of fats and oils, it is clear that the amount of heat as fuel is completely different from that of vegetable residues even with the same food biomass. In addition, depending on the content, a large amount of soot and tar is generated by pyrolysis, so it is important to perform pyrolysis under optimum conditions.
In this way, biomass that is inappropriate as a fuel has been made an “implicit excluder” as a material for gasification.

特許第3914474号公報Japanese Patent No. 3914474 特開2004−83340号公報JP 2004-83340 A 特開平9−245938号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-245938

「バイオマス及び廃棄物のガス化装置の開発」、三井造船技報、No.185(2005-6)“Development of biomass and waste gasifier”, Mitsui Engineering & Shipbuilding Technical Report, No.185 (2005-6) 「バイオマス燃料製造技術の開発と利活用の推進“農林バイオマス3号機による実証”」、www.q-biomass.jp/report/20091028-02.pdf、平成21年10月21日付“Development of biomass fuel production technology and promotion of utilization“ demonstration by No. 3 agriculture and forestry biomass ””, www.q-biomass.jp/report/20091028-02.pdf, dated October 21, 2009

本発明は、種々のバイオマスを対象として、一般人でもガス化利用ができる装置化技術の実現を目的としている。この目的から見ると、従来技術には以下のような課題が存在していた。
解決しようとする第1の課題は、従来のバイオマスガス化技術において、バイオマスの熱分解のために必要な熱エネルギーも、過熱水蒸気生成のために必要な熱エネルギーも、共にガス化の原料となるバイオマスを燃焼して獲得していた点である。
このため、ガス化の全工程が連続的な流れ作業工程となり、全反応システムの統合的な制御はたいへん高度な水準の技術を必要とするため、専門家による操作を前提としていた。即ち技術の一般化あるいは普及が困難であった。
また解決しようとする第2の課題は、ガス化の反応系が個々の反応を順次的に進行させるため、反応装置を直列的に配列したプラント型施設になる点である。
このため、施設は移動不可能な大型施設となり、バイオマスのそれぞれの発生地点において運搬コストなしにガス化を行うという本来の目的を達成することができなかった。
An object of the present invention is to realize an apparatus technology that can be used for gasification even by ordinary people for various types of biomass. From this point of view, the following problems existed in the prior art.
The first problem to be solved is that, in the conventional biomass gasification technology, both the thermal energy required for pyrolysis of biomass and the thermal energy required for superheated steam generation are both raw materials for gasification. It is a point that was obtained by burning biomass.
For this reason, the entire process of gasification is a continuous flow work process, and the integrated control of the entire reaction system requires a very high level of technology, so it has been assumed to be operated by a specialist. That is, it has been difficult to generalize or spread the technology.
A second problem to be solved is that the gasification reaction system sequentially advances individual reactions, so that a plant-type facility in which reaction devices are arranged in series is provided.
For this reason, the facility has become a large facility that cannot be moved, and it has not been possible to achieve the original purpose of gasification at each biomass generation point without transportation costs.

本発明は、ガス化炉内空間を電気的に直接加熱するので、電気的制御によって炉内温度を所定の温度に調節することにより、バイオマスの熱分解反応と引き続くガス化反応を、高精度に制御された温度条件下で行えるようにしたので、バイオマスの種類や含水量に応じて、一般人が操作できる電気加熱式バイオマスガス化装置を実現したことを最も主要な特徴とする。   In the present invention, the space inside the gasification furnace is directly electrically heated. Therefore, the thermal decomposition reaction of biomass and the subsequent gasification reaction can be performed with high accuracy by adjusting the furnace temperature to a predetermined temperature by electrical control. Since it can be performed under controlled temperature conditions, the most important feature is to realize an electrically heated biomass gasifier that can be operated by ordinary people according to the type and moisture content of biomass.

本発明は、個々のバイオマス発生地点において、バイオマスの種類に応じて、一般人が操作し、使用できる電気加熱式バイオマスガス化装置が実現するという利点がある。   The present invention has an advantage of realizing an electrically heated biomass gasification apparatus that can be operated and used by a general person according to the type of biomass at each biomass generation point.

図1は電気加熱式バイオマスガス化装置の構成を示す説明図である。(実施例1)FIG. 1 is an explanatory diagram showing a configuration of an electrically heated biomass gasifier. Example 1 図2は電気加熱式バイオマスガス化装置の構成を示す説明図である。(実施例2)FIG. 2 is an explanatory diagram showing the configuration of the electrically heated biomass gasifier. (Example 2) 図3は電気加熱式バイオマスガス化装置のバッチモードにおける温度と水分量の変化を示すグラフ図である。(実施例1、実施例2)FIG. 3 is a graph showing changes in temperature and water content in the batch mode of the electrically heated biomass gasifier. (Example 1, Example 2)

バイオマスの種類に応じた熱分解処理とガス化処理を行って可燃性バイオガスを生成し、しかも炭化物残渣やタール等の副産物の生成を最小限化するという目的を、電気的熱エネルギーで過熱水蒸気を生成してバイオマスに作用させることによって実現した。   Superheated steam with electric thermal energy is used to generate combustible biogas by performing pyrolysis and gasification according to the type of biomass, while minimizing the production of by-products such as carbide residues and tar. It was realized by producing and acting on biomass.

本発明になる請求項1の電気加熱式バイオマスガス化装置は、バイオマスをガス化するガス化炉と、水蒸気発生手段と、水蒸気供給調節手段と、ガス化炉内に電気的発熱体を配置し、炉内に供給される水蒸気を加熱して連続的に過熱水蒸気を生成すると共に、炉内空間の加熱を行う電気加熱手段と、電気加熱制御手段と、ガス化炉内測定点(複数)の温度をそれぞれ検出する温度センサー(複数)と、ガス化炉からの気体の排出量を調節してガス化炉内の気圧を調節する気圧調節手段と、ガス化炉内の気圧を検出する気圧センサーと、バイオマスの種類とバイオマスの処理モードに応じて、ガス化炉内の温度と気圧が所定の値をとるように、水蒸気供給調節手段と電気加熱制御手段と気圧調節手段をシステム的に制御するシステム制御手段とより成り、電気加熱により生成した過熱水蒸気でバイオマスの乾燥と熱分解とガス化を行い、可燃性ガスを生成することを特徴とする。   According to the first aspect of the present invention, there is provided an electrically heated biomass gasification apparatus comprising a gasification furnace for gasifying biomass, a steam generating means, a steam supply adjusting means, and an electric heating element in the gasification furnace. , Heating the steam supplied into the furnace to continuously generate superheated steam, heating the interior space of the furnace, electrical heating control means, and a plurality of gasification furnace measurement points Temperature sensors (multiple) for detecting the temperature, pressure control means for adjusting the pressure inside the gasifier by adjusting the gas discharge rate from the gasifier, and the pressure sensor for detecting the pressure inside the gasifier And systematically controlling the steam supply adjusting means, the electric heating control means, and the atmospheric pressure adjusting means so that the temperature and the atmospheric pressure in the gasifier take predetermined values according to the type of biomass and the processing mode of the biomass. System control means and Ri made, and dried biomass with superheated steam generated by electrical heating and pyrolysis and gasification, and generates a combustible gas.

本発明になる請求項2の電気加熱式バイオマスガス化装置は、請求項1記載の電気加熱式バイオマスガス化装置の前記電気加熱手段が、ガス化炉内に電気抵抗加熱ヒータを配置し、炉内に供給された水蒸気を加熱して連続的に過熱水蒸気を生成すると共に、炉内空間の加熱を行うことを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, there is provided an electric heating biomass gasification apparatus, wherein the electric heating means of the electric heating biomass gasification apparatus according to the first aspect includes an electric resistance heater disposed in a gasification furnace, The steam supplied to the inside is heated to continuously generate superheated steam, and the furnace space is heated.

本発明になる請求項3の電気加熱式バイオマスガス化装置は、請求項1記載の電気加熱式バイオマスガス化装置の前記電気加熱手段が、ガス化炉内に配置した導電体をガス化炉外に配置した電磁誘導加熱器によって電磁誘導し、炉内に供給された水蒸気を加熱して連続的に過熱水蒸気を生成すると共に、炉内空間の加熱を行うことを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, there is provided an electric heating biomass gasification apparatus according to the first aspect, wherein the electric heating means of the electric heating biomass gasification apparatus according to the first aspect uses a conductor disposed in the gasification furnace outside the gasification furnace. It is characterized by electromagnetic induction by an electromagnetic induction heater arranged in the above, heating the steam supplied into the furnace to continuously generate superheated steam and heating the space in the furnace.

本発明になる請求項4の電気加熱式バイオマスガス化装置は、請求項3記載の電気加熱式バイオマスガス化装置の前記電気加熱手段においてガス化炉内に配置した導電体の形状が塊状であって、ガス化炉内に繰り返し投入して使用可能な熱媒体としての機能もあわせ有することを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided an electric heating type biomass gasification apparatus in which the electric conductor disposed in the gasification furnace in the electric heating means of the electric heating type biomass gasification apparatus according to the third aspect has a lump shape. Thus, it also has a function as a heat medium that can be repeatedly used in a gasification furnace.

図1は、本発明になる電気加熱式バイオマスガス化装置の実施例1の全体構成を、アップドラフト式固定床型を例として示した説明図である。   FIG. 1 is an explanatory diagram showing an overall configuration of Example 1 of an electrically heated biomass gasifier according to the present invention, taking an updraft type fixed bed type as an example.

実施例1において、バイオマス2をガス化炉1の上方より投入する。また水蒸気あるいは高温水蒸気3を、ガス化炉1の下方より流入する。   In Example 1, biomass 2 is charged from above gasifier 1. Further, water vapor or high temperature water vapor 3 flows from below the gasification furnace 1.

ガス化炉1内の底部には、電気抵抗加熱ヒータ4が配置され、流入した水蒸気あるいは高温水蒸気3を加熱し、過熱水蒸気を生成する。   An electric resistance heater 4 is disposed at the bottom of the gasification furnace 1 and heats the inflowing steam or the high temperature steam 3 to generate superheated steam.

ガス化炉1内には、少なくとも各ゾーン(後述)に対応する位置に温度センサを配設し(図示せず)、炉内温度のモニタリングを行っている。水蒸気あるいは高温水蒸気3は、連続的に炉内に流入し、電気抵抗加熱ヒータ4で連続的に加熱されて過熱水蒸気になる。
生成する過熱水蒸気の温度は、電気抵抗加熱ヒータ4の電力値と、水蒸気あるいは高温水蒸気3の単位時間当たりの流入量(流入速度)によってに決まる。そこで、あらかじめバイオマスの種類に応じて最適の過熱水蒸気温度を設定しておき、加熱ゾーン(c)で生成される過熱水蒸気がその温度になるように、電気抵抗加熱ヒータ4の電力値と、水蒸気あるいは高温水蒸気3の流入速度を決定する。加熱ゾーン(c)で生成される過熱水蒸気の温度はこのゾーンに配設された温度センサによって検出される。過熱水蒸気の温度は500℃以上でバイオマスの種類に対応して設定している。
電気抵抗加熱ヒータ4として、特許文献3で開示された多孔体製電気抵抗ヒータなどの適用が可能である。
In the gasification furnace 1, temperature sensors (not shown) are provided at positions corresponding to at least each zone (described later) to monitor the furnace temperature. The steam or the high temperature steam 3 continuously flows into the furnace and is continuously heated by the electric resistance heater 4 to become superheated steam.
The temperature of the superheated steam to be generated is determined by the power value of the electric resistance heater 4 and the inflow amount (inflow rate) per unit time of the steam or the high temperature steam 3. Therefore, an optimum superheated steam temperature is set in advance according to the type of biomass, and the electric power value of the electric resistance heater 4 and the steam are set so that the superheated steam generated in the heating zone (c) becomes that temperature. Alternatively, the inflow speed of the high temperature steam 3 is determined. The temperature of the superheated steam generated in the heating zone (c) is detected by a temperature sensor arranged in this zone. The temperature of the superheated steam is set to 500 ° C. or higher corresponding to the type of biomass.
As the electrical resistance heater 4, a porous electrical resistance heater disclosed in Patent Document 3 can be applied.

バイオマス2は水分を含んでいるので、過熱水蒸気が保有する熱エネルギーは水分の気化が完了するまで、バイオマス2の乾燥のために費消される。その間、バイオマス2に接触している過熱水蒸気の温度は所定の温度まで上昇しない。   Since the biomass 2 contains moisture, the thermal energy held by the superheated steam is consumed for drying the biomass 2 until the moisture vaporization is completed. Meanwhile, the temperature of the superheated steam in contact with the biomass 2 does not rise to a predetermined temperature.

バイオマス2の乾燥は、加熱ゾーン(c)近隣から順次完了してゆき、近隣過熱水蒸気の温度も所定の温度まで上昇するので、乾燥したバイオマス2の熱分解が始まり、引き続き水性ガス化反応が進行する。このようにして、ガス化炉1内では、加熱ゾーン(c)の上方に、バイオマス2の乾燥ゾーン(a)と熱分解・ガス化ゾーン(b)が形成される。
このさい、温度の上昇と共に過熱水蒸気の容積が増大してガス化炉1内の気圧が上昇し、供給される水蒸気3が高圧高温水蒸気になるいっぽう、排出気体5の流出量が増大する。ガス化炉1内の気圧は、炉内に配置した気圧センサー(図示せず)によって検出している。
The drying of the biomass 2 is completed sequentially from the vicinity of the heating zone (c), and the temperature of the superheated steam in the vicinity rises to a predetermined temperature, so that the pyrolysis of the dried biomass 2 begins and the water gasification reaction continues. To do. Thus, in the gasification furnace 1, the drying zone (a) of the biomass 2 and the thermal decomposition / gasification zone (b) are formed above the heating zone (c).
At this time, as the temperature rises, the volume of superheated steam increases, the atmospheric pressure in the gasification furnace 1 rises, and the supplied steam 3 becomes high-pressure and high-temperature steam, while the outflow amount of the exhaust gas 5 increases. The atmospheric pressure in the gasification furnace 1 is detected by an atmospheric pressure sensor (not shown) arranged in the furnace.

ここで、従来技術と異なる点は、ガス化炉1に流入する水蒸気あるいは高温水蒸気3が、空気あるいは酸素等の酸化剤を含まない点である。そのため、バイオマス2は燃焼しない。バイオマス2の熱分解とガス化は、燃焼熱エネルギーではなく、電気抵抗加熱ヒータ4の放射伝熱と、高温過熱水蒸気の放射伝熱と凝縮伝熱と対流伝熱によって、いわゆる「蒸し焼き状態」で行われる。加熱エネルギーがすべて電気エネルギー由来であることは、バイオマス2の加熱処理が電気的に制御できることを意味しており、換言すれば、高度なスキルを要する「釜焚き」技術から解放されたことと同義である。
即ち、本発明は、従来技術における、バイオマスの種類と、酸化剤の流入量と、水蒸気の流入量の微妙な調節の上に成り立つ燃焼制御操作から解放され、バイオマスの種類に対応した過熱水蒸気の温度設定だけですべて事足りるようになったのである。
Here, the difference from the prior art is that the water vapor or high-temperature water vapor 3 flowing into the gasification furnace 1 does not contain an oxidant such as air or oxygen. Therefore, biomass 2 does not burn. The pyrolysis and gasification of the biomass 2 is not a combustion heat energy, but a so-called “steamed state” by radiant heat transfer of the electric resistance heater 4, radiant heat transfer, condensation heat transfer and convection heat transfer of high-temperature superheated steam. Done. The fact that all heating energy is derived from electrical energy means that the heat treatment of biomass 2 can be controlled electrically, in other words, it is synonymous with being released from the “Kamawaki” technology that requires advanced skills. It is.
That is, the present invention is freed from the combustion control operation based on the subtle adjustment of the biomass type, the oxidant inflow amount, and the water vapor inflow amount in the prior art, and the superheated steam corresponding to the type of biomass. All that was needed was the temperature setting.

以上、バイオマスを連続的あるいは断続的に投入する「連続モード」について説明したが、本発明では、バイオマスをバッチ投入して処理する「バッチモード」も可能である。従来の燃焼熱利用技術は、燃料としてのバイオマスの投入が断絶すると熱分解が停止するので、バッチ処理ができなかった。バッチ処理は、少量処理に適しているので、バイオマスの発生地点において少量ずつ処理を行う用途に最適である。
バッチモードの場合、1回投入分のバイオマスに対して、乾燥ステージ、熱分解ステージ、ガス化ステージに分け、プロファイル制御することが有効である(図3参照)。各ステージに、それぞれ適した過熱水蒸気温度を設定することによって、タール等の副産物の生成を最少化すると共に、可燃性ガスの収率を最大化することができる。
(1)乾燥ステージ:タールや熱分解チャーの生成を最少化するために、予めバイオマスを乾燥する。即ち、200℃以下の過熱水蒸気を生成してバイオマスを乾燥する。
(2)熱分解ステージ:乾燥が完了すると、過熱水蒸気の温度が投与時の温度にまで上昇するので、次に加熱水蒸気を例えば550℃程度に上昇させ、熱分解ステージに入る。このとき気圧も上昇するので、システム制御手段によってガス化炉内を所定の温度と気圧に調節する。熱分解ステージで発生した熱分解ガスは過熱水蒸気と共に排出され、熱分解チャーが炉内に残存する。
(3)ガス化ステージ:最後に過熱水蒸気の温度を800℃程度に再上昇させて、ガス化ステージに入り、残存している熱分解チャーをガス化する。
As described above, the “continuous mode” in which the biomass is continuously or intermittently input has been described. However, in the present invention, the “batch mode” in which the biomass is batch-input and processed is also possible. Conventional combustion heat utilization technology cannot perform batch processing because pyrolysis stops when the supply of biomass as fuel is interrupted. Since batch processing is suitable for small-scale processing, it is most suitable for applications in which processing is performed in small portions at the biomass generation point.
In the case of the batch mode, it is effective to divide the biomass for one input into a drying stage, a pyrolysis stage, and a gasification stage and perform profile control (see FIG. 3). By setting an appropriate superheated steam temperature for each stage, the production of by-products such as tar can be minimized and the yield of combustible gas can be maximized.
(1) Drying stage: biomass is previously dried in order to minimize the generation of tar and pyrolysis char. That is, the biomass is dried by generating superheated steam at 200 ° C. or lower.
(2) Pyrolysis stage: When the drying is completed, the temperature of the superheated steam rises to the temperature at the time of administration. Next, the heated steam is raised to, for example, about 550 ° C. and enters the pyrolysis stage. At this time, since the atmospheric pressure also increases, the inside of the gasification furnace is adjusted to a predetermined temperature and atmospheric pressure by the system control means. The pyrolysis gas generated in the pyrolysis stage is discharged together with superheated steam, and pyrolysis char remains in the furnace.
(3) Gasification stage: Finally, the temperature of the superheated steam is raised again to about 800 ° C., enters the gasification stage, and the remaining pyrolysis char is gasified.

ガス化の残渣である灰分は、ガス化炉1の底部(c)に堆積するので、これを取り出す(6)。
熱分解によって生成した熱分解ガスの一部は水蒸気で改質されて水性ガスになる。大部分の熱分解タールは、乾燥ゾーン(a)に堆積するバイオマス2に付着し、熱分解・ガス化ゾーン(b)において熱分解される。
ガス化炉1からの排出気体5は、熱分解ガスと水性ガスと熱分解タールと微粒化チャーと飛灰と揮発成分と過熱水蒸気を含んでいる。
その中の熱分解ガスと熱分解タールと微粒化チャーは、800℃以上に維持された改質炉7を通過する際に過熱水蒸気によって改質されて水性ガスになり、なお残存する微粒化チャーや飛灰がガス浄化システム8で浄化処理され、熱交換器9において、水溶性成分を含んだ過熱水蒸気が除かれる。
Since the ash which is the residue of gasification accumulates in the bottom part (c) of the gasification furnace 1, this is taken out (6).
Part of the pyrolysis gas generated by pyrolysis is reformed with water vapor to become a water gas. Most of the pyrolysis tar adheres to the biomass 2 deposited in the drying zone (a) and is pyrolyzed in the pyrolysis / gasification zone (b).
The exhaust gas 5 from the gasification furnace 1 contains pyrolysis gas, water gas, pyrolysis tar, atomized char, fly ash, volatile components, and superheated steam.
The pyrolysis gas, pyrolysis tar, and atomized char therein are reformed by superheated steam when passing through the reforming furnace 7 maintained at 800 ° C. or more to become water gas, and the remaining atomized char remains. The fly ash is purified by the gas purification system 8, and the superheated steam containing water-soluble components is removed in the heat exchanger 9.

このようにして得られたクリーンなバイオガスは、水素、一酸化炭素、メタン、二酸化炭素などから成る可燃性ガスであり、ガスエンジンと発電機から成るガス発電システム(10)によりガス発電を行う。
得られた電力は二次電池(11)に蓄電し、その一部を電気抵抗加熱ヒータ4等の本装置の必要電力として利用する。
The clean biogas thus obtained is a combustible gas composed of hydrogen, carbon monoxide, methane, carbon dioxide, etc., and performs gas power generation by a gas power generation system (10) including a gas engine and a generator. .
The obtained electric power is stored in the secondary battery (11), and a part of the electric power is used as necessary electric power for the apparatus such as the electric resistance heater 4.

図2は、本発明になる電気加熱式バイオマスガス化装置の実施例2の全体構成を、アップドラフト式固定床型を例として示した説明図である。   FIG. 2 is an explanatory diagram showing an overall configuration of Example 2 of the electrically heated biomass gasifier according to the present invention, using an updraft type fixed bed type as an example.

実施例2において、バイオマス2と塊状の導電体3を、ガス化炉1の上方より投入する。また水蒸気あるいは高温水蒸気4を、ガス化炉1の下方より流入する。導電体3は、自重によりガス化炉1の底部に堆積して、加熱ゾーン(c)を形成する。   In Example 2, the biomass 2 and the massive conductor 3 are charged from above the gasifier 1. Further, water vapor or high temperature water vapor 4 flows from below the gasification furnace 1. The conductor 3 is deposited on the bottom of the gasification furnace 1 by its own weight to form a heating zone (c).

ガス化炉1の底辺外部には、高周波電源と励磁コイルを備えた電磁誘導加熱器5が配置され、ガス化炉1の断熱絶縁体壁を通してガス化炉1底部に堆積した導電体3を発熱させ、流入した水蒸気あるいは高温水蒸気4を加熱し、過熱水蒸気を生成する。   An electromagnetic induction heater 5 having a high frequency power source and an exciting coil is disposed outside the bottom of the gasification furnace 1, and heats up the conductor 3 deposited on the bottom of the gasification furnace 1 through the heat insulating insulator wall of the gasification furnace 1. The inflowing steam or the high temperature steam 4 is heated to generate superheated steam.

ガス化炉1内には、少なくとも各ゾーン(後述)に対応する位置に温度センサを配設し(図示せず)、炉内温度のモニタリングを行っている。炉内に流入した水蒸気あるいは高温水蒸気4は、加熱ゾーン(c)において加熱されて過熱水蒸気になる。
生成する過熱水蒸気の温度は、電磁誘導加熱器5の電力値と、水蒸気あるいは高温水蒸気4の単位時間当たりの流入量(流入速度)によって決まる。そこで、あらかじめバイオマスの種類に応じて最適の過熱水蒸気温度を設定し、加熱ゾーン(c)で生成される過熱水蒸気がその温度になるように、電磁誘導加熱器5の電力値と、水蒸気あるいは高温水蒸気4の流入速度を決定する。加熱ゾーン(c)で生成される過熱水蒸気の温度はこのゾーンに配設された温度センサによって検出される。過熱水蒸気の温度は500℃以上でバイオマスの種類に対応して設定している。
In the gasification furnace 1, temperature sensors (not shown) are provided at positions corresponding to at least each zone (described later) to monitor the furnace temperature. The steam or high temperature steam 4 flowing into the furnace is heated in the heating zone (c) to become superheated steam.
The temperature of the superheated steam to be generated is determined by the power value of the electromagnetic induction heater 5 and the inflow amount (inflow rate) per unit time of the steam or the high temperature steam 4. Therefore, an optimal superheated steam temperature is set in advance according to the type of biomass, and the power value of the electromagnetic induction heater 5 and the steam or high temperature are set so that the superheated steam generated in the heating zone (c) becomes that temperature. The inflow rate of the water vapor 4 is determined. The temperature of the superheated steam generated in the heating zone (c) is detected by a temperature sensor arranged in this zone. The temperature of the superheated steam is set to 500 ° C. or higher corresponding to the type of biomass.

バイオマス2は水分を含んでいるので、過熱水蒸気が保有する熱エネルギーは水分の気化が完了するまで、バイオマス2の乾燥のために費消される。その間、バイオマス2に接触している過熱水蒸気の温度は所定の温度まで上昇しない。   Since the biomass 2 contains moisture, the thermal energy held by the superheated steam is consumed for drying the biomass 2 until the moisture vaporization is completed. Meanwhile, the temperature of the superheated steam in contact with the biomass 2 does not rise to a predetermined temperature.

バイオマス2の乾燥は、導電体3近隣から順次完了してゆき、近隣過熱水蒸気の温度も所定の温度まで上昇するので、乾燥したバイオマス2の熱分解が始まり、引き続き水性ガス化が進行する。このようにして、ガス化炉1内では、加熱ゾーン(c)の上方に、バイオマス2の乾燥ゾーン(a)と熱分解・ガス化ゾーン(b)が形成される。
このさい、温度の上昇と共に過熱水蒸気の容積が増大してガス化炉1内の気圧が上昇し、供給される水蒸気4が高圧高温水蒸気になるいっぽう、排出気体6の流出量が増大する。ガス化炉1内の気圧は、炉内に配置した気圧センサー(図示せず)によって検出している。
Drying of the biomass 2 is sequentially completed from the vicinity of the conductor 3, and the temperature of the adjacent superheated steam rises to a predetermined temperature. Therefore, thermal decomposition of the dried biomass 2 starts and water gasification continues. Thus, in the gasification furnace 1, the drying zone (a) of the biomass 2 and the thermal decomposition / gasification zone (b) are formed above the heating zone (c).
At this time, as the temperature rises, the volume of superheated steam increases, the atmospheric pressure in the gasification furnace 1 rises, and the supplied steam 4 becomes high-pressure high-temperature steam, while the outflow amount of the exhaust gas 6 increases. The atmospheric pressure in the gasification furnace 1 is detected by an atmospheric pressure sensor (not shown) arranged in the furnace.

ここで、従来技術と異なる点は、ガス化炉1に流入する水蒸気あるいは高温水蒸気4が、空気あるいは酸素等の酸化剤を含まない点である。そのため、バイオマス2は燃焼しない。バイオマス2の熱分解とガス化は、燃焼熱エネルギーではなく、導電体3の放射伝熱と、高温過熱水蒸気の放射伝熱と凝縮伝熱と対流伝熱によって、いわゆる「蒸し焼き状態」で行われる。加熱エネルギーがすべて電気エネルギー由来であることは、バイオマス2の加熱処理が電気的に制御できることを意味しており、換言すれば、高度なスキルを要する「釜焚き」技術から解放されたことと同義である。
即ち、本発明は、従来技術における、バイオマスの種類と、酸化剤の流入量と、水蒸気の流入量の微妙な調節の上に成り立つ燃焼制御操作から解放され、バイオマスの種類に対応した過熱水蒸気の温度設定だけですべて事足りるようになったのである。
Here, the difference from the prior art is that the steam or high-temperature steam 4 flowing into the gasifier 1 does not contain an oxidant such as air or oxygen. Therefore, biomass 2 does not burn. Pyrolysis and gasification of the biomass 2 is performed in a so-called “steamed state” by radiant heat transfer of the conductor 3, radiant heat transfer, condensation heat transfer, and convective heat transfer of the high-temperature superheated steam instead of combustion heat energy. . The fact that all heating energy is derived from electrical energy means that the heat treatment of biomass 2 can be controlled electrically, in other words, it is synonymous with being released from the “Kamawaki” technology that requires advanced skills. It is.
That is, the present invention is freed from the combustion control operation based on the subtle adjustment of the biomass type, the oxidant inflow amount, and the water vapor inflow amount in the prior art, and the superheated steam corresponding to the type of biomass. All that was needed was the temperature setting.

以上、バイオマスを連続的あるいは断続的に投入する「連続モード」について説明したが、本発明では、バイオマスをバッチ投入して処理する「バッチモード」も可能である。従来の燃焼熱利用技術は、燃料としてのバイオマスの投入が断絶すると熱分解が停止するので、バッチ処理ができなかった。バッチ処理は、少量処理に適しているので、バイオマスの発生地点において少量ずつ処理を行う用途に最適である。
バッチモードの場合、1回投入分のバイオマスに対して、乾燥ステージ、熱分解ステージ、ガス化ステージに分け、プロファイル制御することが有効である(図3参照)。各ステージに、それぞれ適した過熱水蒸気温度を設定することによって、タール等の副産物の生成を最少化すると共に、可燃性ガスの収率を最大化することができる。
(1)乾燥ステージ:タールや熱分解チャーの生成を最少化するために、予めバイオマスを乾燥する。即ち、200℃以下の過熱水蒸気を生成してバイオマスを乾燥する。
(2)熱分解ステージ:乾燥が完了すると、過熱水蒸気の温度が投与時の温度にまで上昇するので、次に加熱水蒸気を例えば550℃程度に上昇させ、熱分解ステージに入る。このとき気圧も上昇するので、システム制御手段によってガス化炉内を所定の温度と気圧に調節する。熱分解ステージで発生した熱分解ガスは過熱水蒸気と共に排出され、熱分解チャーが炉内に残存する。
(3)ガス化ステージ:最後に過熱水蒸気の温度を800℃程度に再上昇させて、ガス化ステージに入り、残存している熱分解チャーをガス化する。
As described above, the “continuous mode” in which the biomass is continuously or intermittently input has been described. However, in the present invention, the “batch mode” in which the biomass is batch-input and processed is also possible. Conventional combustion heat utilization technology cannot perform batch processing because pyrolysis stops when the supply of biomass as fuel is interrupted. Since batch processing is suitable for small-scale processing, it is most suitable for applications in which processing is performed in small portions at the biomass generation point.
In the case of the batch mode, it is effective to divide the biomass for one input into a drying stage, a pyrolysis stage, and a gasification stage and perform profile control (see FIG. 3). By setting an appropriate superheated steam temperature for each stage, the production of by-products such as tar can be minimized and the yield of combustible gas can be maximized.
(1) Drying stage: biomass is previously dried in order to minimize the generation of tar and pyrolysis char. That is, the biomass is dried by generating superheated steam at 200 ° C. or lower.
(2) Pyrolysis stage: When the drying is completed, the temperature of the superheated steam rises to the temperature at the time of administration. At this time, since the atmospheric pressure also increases, the inside of the gasification furnace is adjusted to a predetermined temperature and atmospheric pressure by the system control means. The pyrolysis gas generated in the pyrolysis stage is discharged together with superheated steam, and pyrolysis char remains in the furnace.
(3) Gasification stage: Finally, the temperature of the superheated steam is raised again to about 800 ° C., enters the gasification stage, and the remaining pyrolysis char is gasified.

ガス化の残渣である灰分は、ガス化炉1の底部(c)に堆積するので、使用済み導電体3と共に取り出す(7)。使用済み導電体3は、表面に付着した熱分解タールを主とする汚れを加熱処理等によってクリーニングし、再使用する。
熱分解によって生成した熱分解ガスの一部は水蒸気で改質されて水性ガスになる。大部分の熱分解タールは、乾燥ゾーン(a)に堆積するバイオマス2に付着し、熱分解・ガス化ゾーン(b)において熱分解される。
ガス化炉1からの排出気体6は、熱分解ガスと水性ガスと熱分解タールと微粒化チャーと飛灰と揮発成分と過熱水蒸気を含んでいる。
その中の熱分解ガスと熱分解タールと微粒化チャーは、800℃以上に維持された改質炉8を通過する際に過熱水蒸気によって改質されて水性ガスになり、なお残存する微粒化チャーや飛灰がガス浄化システム9で浄化処理され、熱交換器10において、水溶性成分を含んだ過熱水蒸気が除かれる。
Since the ash which is the residue of gasification is deposited on the bottom (c) of the gasification furnace 1, it is taken out together with the used conductor 3 (7). The used conductor 3 is reused after cleaning dirt mainly composed of pyrolysis tar adhering to the surface by heat treatment or the like.
Part of the pyrolysis gas generated by pyrolysis is reformed with water vapor to become a water gas. Most of the pyrolysis tar adheres to the biomass 2 deposited in the drying zone (a) and is pyrolyzed in the pyrolysis / gasification zone (b).
The exhaust gas 6 from the gasification furnace 1 contains pyrolysis gas, water gas, pyrolysis tar, atomized char, fly ash, volatile components, and superheated steam.
The pyrolysis gas, pyrolysis tar, and atomized char therein are reformed by superheated steam when passing through the reforming furnace 8 maintained at 800 ° C. or higher to become water gas, and the remaining atomized char remains. The fly ash is purified by the gas purification system 9, and the superheated steam containing water-soluble components is removed in the heat exchanger 10.

このようにして得られたクリーンなバイオガスは、水素、一酸化炭素、メタン、二酸化炭素などから成る可燃性ガスであり、ガスエンジンと発電機から成るガス発電システム(11)によりガス発電を行う。
得られた電力は二次電池(12)に蓄電し、その一部を電磁誘導加熱器5等の本装置の必要電力として利用する。
The clean biogas obtained in this way is a combustible gas composed of hydrogen, carbon monoxide, methane, carbon dioxide, etc., and performs gas power generation by a gas power generation system (11) including a gas engine and a generator. .
The obtained electric power is stored in the secondary battery (12), and a part of the electric power is used as necessary electric power for the apparatus such as the electromagnetic induction heater 5.

以上、ガス化炉1の機能をアップドラフト式固定床型を例として説明したが、本発明技術は、炉内で発生した電気的熱エネルギーによってバイオマスを熱分解する限りにおいては、ガス化炉の形式が攪拌手段を備えた流動床型でも構わないし、その他の形式のガス化炉を採用した場合でも構わないことは言うまでもない。
また同様に、炉内で発生した電気的熱エネルギーによってバイオマスを熱分解する限りにおいては、本発明技術は、ガス発電の排熱を再利用するコージェネレーションシステムに適用しても構わない。
As mentioned above, although the function of the gasification furnace 1 was demonstrated using the updraft type fixed bed type | mold as an example, as long as biomass of this invention is thermally decomposed with the electrical thermal energy generated in the furnace, the gasification furnace 1 Needless to say, the type may be a fluidized bed type equipped with a stirring means, or a gasification furnace of another type may be adopted.
Similarly, the present invention may be applied to a cogeneration system that reuses exhaust heat of gas power generation as long as biomass is thermally decomposed by electrical thermal energy generated in the furnace.

電気的熱エネルギーを炉内で発生させて、バイオマスを熱分解およびガス化することにより、バイオマスの燃焼熱を利用する必要がなくなったので、バイオマスの発生地点において一般人がバイオマスから可燃性バイオガスを生成し、発電に利用する用途に適用できる。   By generating electrical thermal energy in the furnace and pyrolyzing and gasifying the biomass, it is no longer necessary to use the heat of combustion of the biomass, so that the general public can generate combustible biogas from the biomass at the point of biomass generation. It can be generated and used for power generation.

1 ガス化炉
2 バイオマス
3 導電体
4 水蒸気あるいは高温水蒸気
5 電磁誘導加熱器
6 排出気体
8 改質炉
11 ガス発電システム
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gasification furnace 2 Biomass 3 Conductor 4 Steam or high temperature steam 5 Electromagnetic induction heater 6 Exhaust gas 8 Reforming furnace 11 Gas power generation system

Claims (4)

バイオマスをガス化するガス化炉と、
水蒸気発生手段と、
水蒸気供給調節手段と、
ガス化炉内に電気的発熱体を配置し、炉内に供給される水蒸気を加熱して連続的に過熱水蒸気を生成すると共に、炉内空間の加熱を行う電気加熱手段と、
電気加熱制御手段と、
ガス化炉内測定点(複数)の温度をそれぞれ検出する温度センサー(複数)と、
ガス化炉からの気体の排出量を調節してガス化炉内の気圧を調節する気圧調節手段と、
ガス化炉内の気圧を検出する気圧センサーと、
バイオマスの種類と、バイオマスを連続的あるいは断続的に投入する連続モード及びバイオマスをバッチ投入して処理するバッチモードに応じて、ガス化炉内の温度と気圧が所定の値をとるように、水蒸気供給調節手段と電気加熱制御手段と気圧調節手段をシステム的に制御するシステム制御手段と
より成り、
電気加熱により生成した過熱水蒸気でバイオマスの乾燥と熱分解とガス化を行い、可燃性ガスを生成することを特徴とする電気加熱式バイオマスガス化装置。
A gasification furnace for gasifying biomass;
Water vapor generating means;
Water vapor supply control means;
An electric heating means is disposed in the gasification furnace, the steam supplied to the furnace is heated to continuously generate superheated steam, and the furnace heating space is heated.
Electric heating control means;
A temperature sensor (multiple) for detecting the temperature of the gasification furnace measurement points (multiple),
A pressure adjusting means for adjusting the pressure inside the gasifier by adjusting the amount of gas discharged from the gasifier;
A pressure sensor for detecting the pressure in the gasifier,
Depending on the type of biomass, the continuous mode in which the biomass is continuously or intermittently input, and the batch mode in which the biomass is batch input and processed , steam and steam are controlled so that the temperature and pressure in the gasifier take predetermined values. A system control means for systematically controlling the supply adjusting means, the electric heating control means and the atmospheric pressure adjusting means,
An electrically heated biomass gasifier characterized in that biomass is dried, pyrolyzed and gasified by superheated steam generated by electric heating to generate a combustible gas.
前記電気加熱手段は、ガス化炉内に電気抵抗加熱ヒータを配置し、炉内に供給された水蒸気を加熱して連続的に過熱水蒸気を生成すると共に、炉内空間の加熱を行うことを特徴とする請求項1記載の電気加熱式バイオマスガス化装置。   The electric heating means is characterized in that an electric resistance heater is disposed in the gasification furnace, the steam supplied to the furnace is heated to continuously generate superheated steam, and the furnace space is heated. The electrically heated biomass gasifier according to claim 1. 前記電気加熱手段は、ガス化炉内に配置した導電体をガス化炉外に配置した電磁誘導加熱器によって電磁誘導し、炉内に供給された水蒸気を加熱して連続的に過熱水蒸気を生成すると共に、炉内空間の加熱を行うことを特徴とする請求項1記載の電気加熱式バイオマスガス化装置。   The electric heating means electromagnetically induces a conductor disposed in the gasification furnace by an electromagnetic induction heater disposed outside the gasification furnace, and heats the steam supplied into the furnace to continuously generate superheated steam. In addition, the electrically heated biomass gasifier according to claim 1, wherein the furnace space is heated. 前記電気加熱手段においてガス化炉内に配置した導電体の形状は塊状であって、ガス化炉内に繰り返し投入して使用可能な熱媒体としての機能もあわせ有することを特徴とする請求項3記載の電気加熱式バイオマスガス化装置。   4. The electric heater disposed in the gasification furnace in the electric heating means is in the form of a lump, and also has a function as a heat medium that can be repeatedly used in the gasification furnace. The electrically heated biomass gasifier described.
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